KR102036892B1 - 낙뢰 유입보호 기능이 적용된 ess - Google Patents

Abstract

본 발명은 낙뢰 유입 보호 기능이 적용된 ESS에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 낙뢰 유입 보호 기능이 적용된 ESS는, 낙뢰 유입 보호 기능이 있는 비상 시에 구동될 수 있는 에너지 저장장치(energy Storage System)에 있어서, 태양광 수집 수단을 이용한 태양광이나 바람의 힘을 이용하는 풍력 또는 조수간만을 이용한 조력에 의한 발전이 가능한 발전장치(200)를 포함할 수 있다. 이러한 발전장치는 에너지 저장장치(ESS)에 대한 에너지 공급원이 될 수 있다.
상기 발전장치(200)에서 발생된 전기를 저장하는 배터리를 사용할 수 있는 데, 통상적으로 축전지가 사용될 수 있다. 축전지의 경우에는 평상시에는 전력 변환 장치(PCS)로부터 공급되는 전력을 저장하는 기능을 수행할 수 있다.
또는 수용가 부하(400)에서 요청하는 전력이 발생할 때 전원공급수단으로 사용될 수 있다. 이러한 배터리에 관한 전반적인 운영과 체크는 배터리 관리시스템(Battery Management System)을 통해서 이루어질 수 있다.

Description

낙뢰 유입보호 기능이 적용된 ESS{LENERGY STORAGE SYSTEM FOR PREVENTING LIGHTNING SURGE INSERTION}

본 발명은 낙뢰 서지 유입에 따른 피해를 방지할 수 있도록 하는 ESS에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 태양광, 풍력 또는 조력 발전을 이용하되 상기 발전 장치로부터 출력되는 광을 광케이블을 통해서 전달하여 광전 변환소자를 사용해서 에너지 저장장치와 수용가 부하의 각종 기구와 장치를 분리하고, 이와 같은 분리를 통해 낙뢰에 의한 서지(Surge Voltage)가 수용가 부하에 장착되어 있는 장치와 기계에 입력되어 확산되는 낙뢰에 의한 피해가 확산되는 것을 방지할 수 있는 낙뢰 서지 유입을 방지하는 낙뢰 유지 보호기능이 적용된 ESS에 관한 것이다.

본 발명은 낙뢰 서지 유입에 따른 피해를 방지할 수 있도록 하는 낙뢰유입 보호 기능이 적용된 ESS에 관한 것이다.

일반적으로 에너지 저장시스템(Energy Storage System)이란 과잉 생산된 전력을 저장했다가 전력 부족이 발생하면 부하(Load)로 송전을 하는 장치를 말한다.

이러한 에너지 저장시스템은 태양광, 풍력 등으로 신재생 에너지를 생산할 때, 출력을 안정화하는 것에 쓰일 뿐만 아니라, 정전 등 비상시에도 활용할 수 있고, 전기자동차 보급을 위한 핵심 인프라로도 사용되기도 한다.

또한 에너지 저장 시스템은 건물에 설치되어 경부하 시간대의 전력을 저장하였다가 전력부족이 발생하면 최대 부하 시간 대에 전력을 사용하여 최대 부하시간 대의 부과되는 전력 요금을 절감하는 데 사용될 수 있다.

이와 같은 에너지 저장 시스템(ESS, 300)은 에너지 저장원인 배터리(Battery, 340), 전력 조절장치(Power Conditioning System, 330), 배터리 관리 시스템(Battery Management System, 320), 파워관리 시스템(Power Mangagement System) 등으로 구성될 수 있다.

여기서 에너지 저장원(Battery)은 LiB(리튬이온 전지), NaS(나트륨 황전지), RFB(Redox Flow Battery), SuperCapacitor(슈퍼 커패시터) 등으로 구성될 수 있다.

전력 조절장치(Power Conditoning System, 330)은 에너지 저장원에 저장된 직류를 교류로 변환하여 외부의 전력계통에 전력을 공급하거나 외부의 전력계통의 교류를 직류로 변환하여 에너지 저장원에 전력을 저장할 수 있다.

배터리 관리시스템(Battery Mangagement)은 에너지 저장원의 전압, 전류, 온도 등을 측정하여 에너지 저장원의 안전 상태 및 고장 유무 등을 진단하고, 에너지 저장원의 온도와 셀 밸런싱(Cell Ballancing)을 제어할 수 있다.

에너지 관리 시스템(Energy Management System)은, 파워 관리 시스템(Power Management System)보다 포괄적인 개념으로 전력 조절장치(PCS, 330), 배터리 관리 시스템(BMS, 320)을 통합적으로 관리하고 도시하지 않았지만 이더넷(ehernet) 등 통신수단을 통해 외부와 통신을 할 수 있다. 이더넷( Ethernet)은 네트워크에 연결된 각 기기들이 48비트 길이의 고유의 MAC(Media Access Control) 주소를 가지고, 이 주소를 이용해 상호간에 데이터를 주고받을 수 있도록 만들어졌다. 전송매체로는 BNC(Bayonet Neil Concelman) Cable, UTP(Unshielded Twisted Pair) Cable, STP(Shielded Twisted Pair) Cable을 사용하며, 각 기기를 연결하는 데는, 허브(hub), 스위치, 리피터 등의 장치를 사용할 수 있다.

그런데 이러한 에너지 저장시스템(ESS)은 외부의 전력계통과 연결되기 때문에, 낙뢰로 인한 서지(surge)등이 발생한 경우에 외부에서 에너지 저장 시스템으로 서지 전류(surge current)가 흐를 경우, 에너지 저장시스템의 고장이 발생하기도 한다.

이러한 에너지 저장시스템은 고가의 장비이기 때문에 에너지 저장시스템의 고장은 에너지 저장시스템의 유지관리비용의 증가로 이어지고, 또한 에너지 저장시스템의 각종 부품의 교체 시간 동안 건물에서는 최대 부하 시간대의 전력을 그대로 이용해야 하는 문제점도 있다.

국내등록특허 10-0778414호(등록공고일: 2007.11.15)(배터리관리시스템 및 그의 구동방법)

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 발명된 것으로서, ESS에서 전력을 저장하고 관리할 수 있는 수단과 각종 부하를 구동할 수 있는 전기적 시스템을 구별하여 상기 전력 저장수단과 수용가 부하에 장착되어 있는 각종 장치와 기계 사이의 신호전달을 2개의 전원용 케이블과 통신용 케이블로 분리하여 전기적으로 수용가 부하에 포함된 각종 기기와 배터리 등을 보호할 수 있는 낙뢰유입 보호기능이 있는 ESS를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명의 다른 목적은 ESS에서의 태양광, 풍력, 조력 등의 신재생 에너지를 이용하여 전원을 공급하는 경우에 전원공급수단과 수용가 부하의 각종기계와 장치를 분리하고 상호 간에 절연상태를 유지하여 설사 전원공급수단이 외부 서지의 유입으로 인하여 기기의 고장과 오작동이 발생하더라도, 이로 인한 피해가 확대되는 것을 방지할 수 있는 ESS에서의 전원 공급시 수용가 부하에 장착되어 있는 각종 기계 쪽으로의 전원 유입을 방지할 수 있는 낙뢰 유입 보호 기능이 있는 ESS의 구동방법을 제공하는 데 또 다른 목적이 있다.

상기한 바의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 낙뢰 유입 보호 기능이 적용된 ESS는, 낙뢰 유입 보호 기능이 있는 비상 시에 구동될 수 있는 에너지 저장장치( energy Storage System)에 있어서, 태양광 수집 수단을 이용한 태양광이나 바람의 힘을 이용하는 풍력 또는 조수간만을 이용한 조력에 의한 발전이 가능한 발전장치(200)를 포함할 수 있다. 이러한 발전장치는 에너지 저장장치(ESS)에 대한 에너지 공급원이 될 수 있다.

상기 발전장치(200)에서 발생된 전기를 저장하는 배터리를 사용할 수 있는 데, 통상적으로 축전지가 사용될 수 있다. 축전지의 경우에는 평상시에는 전력 변환 장치(PCS)로부터 공급되는 전력을 저장하는 기능을 수행할 수 있다.

또는 수용가 부하(400)에서 요청하는 전력이 발생할 때 전원공급수단으로 사용될 수 있다. 이러한 배터리에 관한 전반적인 운영과 체크는 배터리 관리시스템(Battery Management System)을 통해서 이루어질 수 있다.

특히 본 발명의 경우에는 신재생 에너지를 에너지의 주요 공급원으로 사용할 수 있어서, 이산화탄소 저감이라고 하는 전세계적인 흐름에도 부응하는 시스템이라고 할 수 있다.

상기 배터리(340)로 전원을 충전하는 역할을 하거나, 상기 배터리(340)에 저장된 직류 에너지를 교류로 변환하여 외부의 전력계통에 전력을 공급하는 전력 조절장치(Power Conditioning System; PCS)을 포함할 수 있다.

상기 전력 조절장치(PCS)로부터 나오는 AC를 공급받아 제1 통신장치(700)로 전달할 수 있는데, 이와 같은 제1 통신장치(700)의 구성 형태에 따라 상기 ESS로 유입되는 서지(surge) 전압에 대한 조절과 제어가 가능할 수 있다.

상기 제1 통신장치는 제2 통신장치와 연결된 상태일 수 있다.

즉 본 발명의 일 실시예에 따른 서지 전압의 차단 수단으로서는 광통신을 사용하거나, TVS(Transient Voltage Suppressor)를 사용할 수 있다.

상기 제1 통신장치(700)로부터 공급되는 광신호를 통해 에너지를 상기 에너지 저장수단(ESS)와 전기적으로 절연된 상태에서 독립적으로 재생하고, 운영되는 것일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 통신장치는 광컨버터를 포함하고 상기 광컨버터에서 출력되는 광을 통신용 광케이블과 전원용 광케이블을 통해서 전기적으로 독립적으로 제어하되, 상기 전원용 광케이블을 통해서 들어오는 광으로부터 광전소자인 포터커블러(photo coupler)를 통해서 전기를 발생시키고, 상기 발전장치로부터 공급되는 전기를 상용전력 형태 또는 배터리 충전 전력 형태로 변환하여 출력하는 PCS(Power Condtioning System)와, 상기 광컨버터에서 출력된 광신호를 수용가부하의 각종 기계나 장치쪽으로 공급할 수 있는 통신용 광케이블과 전원용 광케이블과, 상기 통신용 광케이블의 일측에 연결되어 광신호를 전기에너지로 변환하는 제1광전 소자와, 상기 전원용 광케이블의 일측에 연결되어 광신호를 전기에너지로 변환하는 제2 광전 소자와, 상기 제2 광전 소자를 통해서 변환된 전기를 사용해서 부하를 구동시킬 수 있도록 구성되어 있고, 상기 제1, 2광케이블은 코어에는 입사되는 빛에 대하여 전반사 효과를 유도할 수 있는 유리섬유를 포함하고, 상기 유리섬유의 외주면에는 유리섬유강화플라스틱으로 코팅된 것일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 통신장치에는 제1 트랜스포머가 장착되고, 상기 제1 트랜스포머로부터 공급되는 전압 중 유입되는 서지 전압에 대하여 차단할 수 있는 TVS 회로(보호 회로)를 더 포함하여 상기 제1 트랜스포머와 전기적으로 연결되어 있는 제2 트랜스포머로 공급되는 서지 전압을 차단하여 에너지 저장시스템으로부터 발생하는 서지 전압이 보호 회로에 의하여 차단되고, 수용가 부하에 장착되어 있는 각종 장치와 시스템을 보호할 수 있는 것일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 ESS에 있어서의 낙뢰 서지 유입방지방법은, 태양광, 풍력 또는 조력으로부터 얻어진 에너지를 PCS를 통해서 공급하는 단계(s10);와, 상기 PCS를 통해서 공급된 에너지를 직류 에너지로 변환하여 저장하거나, 제1 통신장치로 공급하는 단계(s20);와, 상기 제1 통신장치에는 광컨버터가 장착되어 있어서 상기 전기에너지를 광에너지로 변환하는 단계(s30)와, 상기 광에너지로 변환된 신호를 통신용 광케이블과 전원용 광케이블로 공급하는 단계(s40); 및 상기 광케이블들을 통해서 공급된 광에너지를 전기에너지로 변환하는 단계(s50)를 포함하는 것일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 에너지 저장시스템과 상기 수용가 부하측은 전기적으로 절연된 것일 수 있다.

상술한 바와 같은 구성으로 이루어진 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 에너지 저장장치인 ESS 시스템에서 태양광, 풍력 또는 조력을 통해 발전된 전기를 저장장치(배터리와 배터리 매니지먼트 시스템) 등에 저장하였다가 전력이 필요할 때 공급하면서도 서지 전압의 발생에 대한 피해를 최소화할 수 있어서 ESS 시스템에서의 관리 비용을 절약할 수 있다.

또한 본 발명에 따른 ESS에서의 낙뢰 유입 방지 방법에 의하면 전원공급수단인 ESS와 제2 통신장치를 전기적으로 절연한 상태를 유지할 수 있어서, 낙뢰로 인한 피해가 확산되는 것을 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발전장치와 상기 발전장치에서 공급되는 에너지를 저장하였다가 수용가 부하의 필요 조건에 맞추어 에너지를 공급할 수 있는 에너지 관리 시스템의 전체적인 구성을 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 ESS에서의 낙뢰 유입 방지를 위한 장치 중 전원공급수단과 수용가 부하의 연결관계를 모식적으로 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 변압기를 사용해서 에너지 저장 시스템과 수용가 부하를 절연시키는 것을 보여주는 변압기의 구성을 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 서지전압을 차단하기 위한 TVS회로의 구성을 보여주는 회로도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 ESS에서의 낙뢰 서지유입 방지방법의 과정을 보여주는 절차도이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시 예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고, "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 낙뢰 유입 보호 기능이 적용된 ESS가 가지고 있는 특성에 대하여 논의한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발전장치와 상기 발전장치에서 공급되는 에너지를 저장하였다가 수용가 부하의 필요 조건에 맞추어 에너지를 공급할 수 있는 에너지 관리 시스템의 전체적인 구성을 보여주는 도면이다.

도 1을 참조하면 발전장치(200)로는 신재생 에너지원이라고 할 수 있는 태양광으로부터 공급되는 태양광을 전기에너지로 변환할 수 있는 PV(PhotoVoltaic)을 포함할 수 있다.

또는 바람의 힘을 이용할 수 있는 풍력공급수단, 조수 간만의 차를 이용해서 에너지를저장할 수 있는 조력 발생수단을 에너지원으로 사용할 수 있다.

본 발명에서 한정하지 않았지만 그외에도 신재생 에너지라고 할 수 있느 에너지 공급수단은 모두 적용될 수 있다.

이와 같이 발전장치(200)에서 생산된 전기는 전력변환장치(330, Power Conditioning System을 통해서 배터리(340)에 저장되거나 상기 배터리(340)에 저장되어 있는 직류 에너지를 전력변환장치(PCS, 330)를 통해서 상용전원이라고 할 수 있는 교류 전원으로 변환한 후에 수용가 부하(400) 쪽으로 공급할 수 있다.

이와 같은 수용가 부하(400)에서 필요로 하는 전력에 대한 요구 사항과 배터리 관리 시스템(Battery Management System) 으로부터 파악되고 관리되는 배터리(340)의 상황에 따라 전체적인 에너지의 조율을 담당할 수 있는 에너지 관리시스템(Energy Management System, 310)을 포함할 수 있다.

에너지 관리시스템(EMS)은 전력관리 시스템(Power Management System)보다 포괄적인 개념으로 일군의 지역(local 영역)에 대한 관리를 수행하는 것이 전력 관리 시스템이라고 한다면 에너지 관리시스템은 전체적인 에너지의 수급 상황을 파악하고 이에 맞추어 에너지 수요에 대한 공급과 제어를 수행할 수 있도록 구성되어 있다.

이와 같은 EMS(310)의 운영상황 또는 제어에 대한 수단은 HMI(Human machine Interaction)을 통해서 연결되어 있는 디스플레이 수단을 통해서 사용자 또는 관리자에게 제공되고 관리될 수 있다.

도 1을 참조하면, 이와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 공급 수단에 대응하여 낙뢰의 발생에 따른 피해를 방지하기 위한 수단으로서 수용가 부하(400)에 장착되어 있는 전기기구와 장치들은 전기적으로 격리(isolation) 시킨 상태를 유지할 수 있도록 구성되어 있다.

즉 전원 공급수단인 에너지 저장장치(Energy Storage System)과 수용가 부하(400)를 전기적으로 격리하여 낙뢰에 따른 피해를 최소화할 수 있도록 구성되어 있다.

물론 도시하지 않았지만 본 발명의 일 실시예에 따른 낙뢰 유입 보호 수단이 적용된 에너지 저장장치(ESS)에서는, SPD(surge Protection Device)를 더 포함할 수 있다.

서지 보호기(surge protector device)란 낙뢰 충격 전압으로부터 전력 설비의 손상을 방지하기 위한 기기이다.

이와 같은 서비보호기로 서지로부터 보호하는 것이 가능할 수 있지만 이는 서지(surge)의 특성에 대한 이해로부터 판단하여 보면 SPD만으로는 서지에 대한 완벽한 보호 조치를 취할 수 없다는 사실을 알 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 낙뢰 유입 방지기능이 적용된 ESS(300)에서는 서지(surge)가 타고 전파되지 않는 특성을 가질 수 있는 광통신(optical communication)을 사용하거나 변압기(transformer)에 TVS(transient Voltage Suppressor)를 장착하는 등의 방법으로 서지(surge)가 유선 네트워크 망을 통해서 전달되어 수용가 부하까지 피해가 확산되는 것을 최소화하는 것이 가능할 수 있다.

물론 또 하나의 수단으로서, 마이크로 웨이브(microwave)를 사용해서 신호를 전달하는 방법을 사용할 수 도 있지만 마이크로웨이브(microwave)를 발생시키기 위해서는 별개의 발진회로를 구성해야 하고 이와 같은 발진회로의 구성은 추가적인 비용 발생의 원인이 될 수 있기 때문에 본 발명에서는 논외로 한다.

즉 낙뢰로 인한 폐해를 방지하기 위해서는 전류 또는 신호를 전달할 수 있는 수단으로 금속 등의 도체를 사용하는 것을 피해야 한다. 낙뢰는 금속을 통해서 유입되는 특성을 갖기 때문에 낙뢰에 대한 피해로부터 각종 장치나 시스템을 보호하기 위해서는 금속 이외의 수단을 사용하는 것이 필수적이라고 할 수 있다.

이러한 이유 때문에 태양광 , 풍력 또는 조력을 포함하는 발전장치(200)의 안정적이고 영구적인 작용을 도모하기 위해서 본 발명의 일 실시예에 따른 낙뢰 유입 보호기능이 적용된 ESS(300)에서는 전기에너지를 광에너지로 변환할 수 있는 전자소자인 광컨버터(optical converter)로 PCS(330)으로 공급되는 전기에너지를 광으로 변환하고, 광케이블(110, 120)을 사용해서 상기 ESS(300)에서 발생할 수 있는 서지 전압에 대한 효과적인 차단이 가능할 수 있다.

이를 위해서는 본 발명의 일 실시예에 따른 낙뢰 유입 보호기능이 적용된 ESS(300)에서는 전기에너지를 광에너지로 변환할 수 있는 소자인 광컨버터(optical converter)를 제1 통신장치(700)에 구비할 수 있다.

광컨버터(Fast Ethernet Converter)는 Ethernet 또는 fast ehernet에서 넓은 대역폭과 안정적인 장거리 데이터 전송을 위한 광케이블과 UTP 케이블 또는 BNC케이블과의 전기적 접속에 필요한 컨버터를 지칭한다.

통상적인 네트워크 구성에 있어서 UTP 케이블의 전송거리는 최대 100m라고 알려져 있는 것에 비하여 이러한 전송거리를 뛰어넘을 수 있는 네트워크 구성을 필요로 할 때 사용할 수 있는 장비에 해당한다.

이와 같이 광컨버터는 기존의 UTP cable을 사용하던 네트워크 신호를 광신호로 바꿔주는 역할을 할 수 있다.

이와 같이 광컨버터를 사용해서 전기 신호(주로 PCS(330)에서 출력되는 교류신호가 이에 해당할 수 있다.

이와 같이 전기신호가 광신호로 변경되고 난 후에는 광케이블(110, 120)을 통한 신호 전송이 이루어질 수 있다. 전술한 바와 같이 광케이블(110, 120)을 통한 신호(본원 발명의 경우에는 이를 통신 신호와 전원신호로 나누어 설명하기로 한다.)는 광신호가 되고 이를 위한 변환작업이 광컨버터에서 이루어진다고 볼 수 있다.

이때 제1 통신장치(700)는 제2 통신장치(600)와 제1, 2 케이블(510, 520)을 통해서 전기적으로 또는 광신호로 연결된 상태일 수 있다. 여기서 제1, 2 케이블(510, 520)은 전달되는 매체에 따라 광케이블이 될 수도 있고 구리 도선이 될 수도 있다.

제1 실시예의 경우에는 광케이블이 될 것이고, 제 2실시에에 따르면 도선이 가능할 수 있다.

상기 제1,2 케이블(510, 520)에 연결되어 있는 제2 통신장치(600)에는 제2 트랜스포머가 배치될 수도 있고 광전소자가 배치될 수도 있다.

이때 제1,2 케이블은 2개 이상의 복수개로 형성될 수 있으며 복수개의 제1, 2 케이블을 통해서 연결되고 상기 제1, 2 케이블은 전달되는 매체에 따라 제1 케이블은 광케이블이 되거나, 제2 케이블은 구리 도선 또는 광케이블이 될 수 있다.

제2 통신장치(600)로 공급되는 광신호 또는 전기적 신호를 전류로 변환할 수 있다. 이러한 역할을 수행하기 위해 제2 통신장치(600)에는 제2 광전소자(210)가 배치될 수도 있고 제2 트랜스포머가 배치될 수도 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 ESS에서의 낙뢰 유입 방지를 위한 장치 중 전원공급수단인 에너지 저장수단(ESS)과 수용가 부하의 연결관계를 모식적으로 보여주는 도면이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 낙뢰 유입보호 기능이 적용된 ESS에서는 에너지 저장 시스템(300)과 수용가 부하(400)에 장착되어 있는을 연결하는 통신용 케이블과 전원용 케이블을 포함할 수 있다.

이와 같이 광케이블을 이용하기 위해서는 광통신을 사용할 수 있다.

광통신은 기존과 같이 신호를 전류를 통해 전송하는 통신 방식이 아니고, 광을 통해 전송하는 통신 방식을 의미한다. 광통신은 코어로 유입된 광이 클래드에서 전반사하면서 진행함으로써 이루어진다. 상기 코어 및 클래드를 포함하는 것을 광섬유라고 한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 ESS에서의 낙뢰 유입 방지를 위한 시스템에서 광섬유로는 유리섬유(glass fiber)를 사용할 수 있다.

광섬유가 통신망을 구성하는 데 사용되기 위해서는 우선적으로 케이블링(cabling) 공정을 거쳐야 하는 데, 이는 상기 광섬유의 포설 작업 또는 기타 취급시에 발생할 수 있는 기계적 압력, 열화 등의 인위적/자연적 환경으로부터 미세한 광섬유를 보호하기 위함이다. 상기 광섬유가 케이블링 과정을 거쳐 제조된 것을 광케이블이라고 한다.

본 발명에서는 상기 전원공급수단인 ESS(300)과 수용가 부하(400)을 전기적으로 분리하기 위한 구성으로서, 통신용 광케이블(110)과 전원용 광케이블(120)을 포함할 수 있다.

이러한 광케이블(110, 120)은 코어와 클래드를 포함할 수 있다.

상기 코어에서는 빛을 전달하는 과정에서 전반사의 원리를 이용할 수 있다.

전반사(total reflexion)라고 하는 것은 빛이 특정 면에서 100% 반사되는 것을 말한다. 예를 들어 유리에 부딪히는 빛의 입사각이 임계가(critical angle)보다 클 경우 빛은 그 유리를 투과하지 못하고, 100% 반사된다. 이러한 현상을 전반사라고 한다. 전반사를 응용한 것으로는 사진기의 팬타프리즘 또는 광케이블을 들 수 있다.

좀더 쉽게 설명하면, 전반사는 표면의 법선에 대한 파동의 입사각이 특정한 임계각보다 클 때 발생하는 현상이다. 굴절율이 경계면에서 낮아질 때 입사각이 임계각보다 클 경우에 파동은 매질을 통과하지 못하고 모두 반사된다.

이는 높은 굴절율을 가지는 매질에서 낮은 굴절율을 가지는 매질로 진행할 때만 생기는 현상이라고 할 수 있다.

예를 들면 빛이 유리에서 공기로 향할 때에는 발생하지만 공기에서 유리로 향할 때에는 발생하지 않는다.

이와 같이 코어를 구성하는 유리 섬유가 상기 코어의 외주면에 해당하는 매질을 구성하는 유리섬유 강화플라스틱으로 구성되어 있을 때에는 유리 섬유를 구성하는 코어의 매질에 대한 굴절율이 유리섬유강화 플라스틱으로 구성된 외주면보다 높기 때문에 전반사를 통하여 제1 통신장치(700)에 구비된 광컨버터를 통해서 입사된 광신호인 빛이 전반사라는 과정을 거치면서 수용가 부하(400) 쪽으로 입사할 수 있게 된다.

이와 같이 전반사 과정을 거쳐서 입사된 빛, 즉 광신호(optical signal)는, 제1 광전소자(210), 또는 제2 광전소자(220) 쪽으로 입사하게된다.

광전소자(210, 220)는 포토 커플러(photo coupler)라고도 하는 데, 본 발명의 제1 실시예에서인 빛을 이용한 낙뢰유입 보호기능이 적용된 ESS(300)의 제2 통신장치(600) 내에 장착된 상태일 수 있다.

이와 같은 과정을 거쳐서 빛 즉 광신호를 전기신호로 변경하고 나면 상기 전기신호를 이용하여 각종 부하를 구동할 수 있게 된다. 특히 본 발명의 일 실시예에 따른 낙뢰 유입 보호기능이 적용된 ESS에서는 상술한 에너지 저장장치(300)과 수용가 부하(400)에 장착되어 있는 각종 기계와 장치들이 전기적으로 절연된 상태일 수 있어서, 에너지 저장징치(300)에서 발생한 서지 전압에 의한 부하 기기의 파손을 효과적으로 방지할 수 있게 된다.

또한 이외에도 전원공급수단을 구성하는 각각의 전기 소자에 전력을 공급하는 수단을 낙뢰 서지의 전달을 차단할 수 있는 광케이블(110, 120)로 대체하여 설치히는 경우, 에너지 저장장치(ESS, 300)에서의 낙뢰서지 전압의 전달에 따른 피해를 최소화할 수 있다.

이때 상기 통신용 광케이블(110)과 전원용 광케이블(120)을 통해서 전원을 공급하는 에너지 저장시스템(300)과 상기 수용가 부하(400)에 구비된 각종 장치와 시스템은 전기적으로 절연된 상태를 유지할 수 있다. 따라서 상호 간에 전기적인 영향을 받지 않은 상태로 유지할 수 있다.

뿐만 아니라 본 발명의 제2 실시예에 따른 낙뢰유입 보호기능이 부가된 ESS의 경우에는 상기 에너지 저장시스템(300)과 수용가 부하와 제 1 실시예와 동일하게 절연시키는 조건이 아니라고 하더라도 TVS( Transient Volt Suppressor)를 장착하는 방법으로 수용가 부하(400)에 장착되어 있는 각종 기구와 장치들을 보호할 수 있는 특징을 가질 수 있다.

이하에서는 전기적으로 에너지 관리시스템(300)과 수용가 부하(400)가 절연되지 않은 상태에서 서지 전압이 유입되는 것으로부터 수용가 부하(400)에 장착되어 있는 기계와 기구를 보호할 수 있는 방법에 대하여 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 변압기를 사용해서 에너지 저장 시스템과 수용가 부하를 연결시키는 것을 보여주는 변압기의 구성을 보여주는 도면이다.

도 3을 참조하면 에너지 저장 시스템(300)에는 전원 조절 장치(PCS, 330)로부터 교류 전원을 공급받을 수 있는 제1 트랜스포머(11)가 배치될 수 있다.

이러한 제1 트랜스포머 측으로 공급된 전압은 N1:N2의 비율로 공급될 수 있다.

본 발명에서는 설명의 편의를 위해 N1:N2의 비율을 1:N이라고 가정하고 설명한다.

이와 같이 에너지저장 시스템(300) 측에 제1 트랜스포머를 설치하면 전압이 그것에 맞추어 2차측 전압이 N배 상승하게 된다.

이때 만일 서지(surge)가 유입된 상황이라면, 서지 전압은 일반적으로 공급되는 전압보다 큰 수치를 갖고 있는 상태라고 할 수 있다.

이와 같이 N배 상승한 전압에 대해서는 본 발명의 일 실시예에 따른 낙뢰 유입 보호 기능이 적용된 ESS(300)에서는 TVS(Transient Voltage Suppressor)를 상기 제1 트랜스포머(11) 후단에 장착하여 서지 전압을 차단할 수 있다.

이때 도 3에 도시된 바와 같이 제2 통신장치(600) 내에 장착되어있는 트랜스포머(도면 번호 미부여)에는 N2:N1 의 권선수 비로 도선이 감겨 있는 상태일 수 있다. 여기서 N2:N1 이라고 하는 것은 앞에서 전술한 바와 같이, N:1 일 수 있다.

이와 같은 권선비로 권선하게 되면, N 배로 상승된 전압은 다시 N분의 1로 줄어들게되는 효과가 발생하므로 에너지의 손실이 없이 원하는 수용가 부하(400)의 ESS(300)에 대한 서지의 유입으로부터 보호가 가능할 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 서지전압을 차단하기 위한 TVS회로의 구성을 보여주는 회로도이다.

도 4를 참조하면, 제1트랜스포머(11)는 입력되는 전압을 고전압(N배의 크기를 갖는 전압)으로 변환시켜 출력할 수 있다.

정류 회로(12)는 제1 트랜스포머(11)로부터 출력되는 고전압을 정류시킬 수 있다. 보호 회로(100)는 제너다이오드(ZD1)와 제1 서지 어레스터(150)과 제2 서지 어레스터(160) 및 커패시터(C10)으로 구성될 수 있다.

제너다이오드(ZD1)은 정류회로(12)로부터 서지 전압이 입력되면 도통되어 서지 전압을 그라운드로 패스시킨다.

제1 서지어레스터(150)는 서지 전압이 입력되면 이를 방전시키도록 정류회로(12)와 진행파관(20)의 힐릭스 사이에 병렬연결한다.

제2 서지어레스터(160)는 서지 전압이 입력되면 이를 방전시키도록 정류 회로(12)와 진행파관(20)의 캐소드 사이에 병렬 연결한다. 여기에서 제1 서지어레스터(150)과 제2 서지어레스터(160)는 GDT(Gas Discharge Tube)로서, 브레이크다운 전압보다 높은 전압이 입력되면, 내부 가스에 의한 방전을 시키고 정상상태에서는 높은 절연특성에 의해 회로에 영향을 주지 않는다.

커패시터(C10)는 정류회로(12)로부터 서지 전압이 입력되면, 기준 전압을 기준으로 하여 그보다 높은 서지 전압만큼을 제2 서지 어레스터(160)로 패스시키도록 이의 전단에 연결한다.

이의 제1 트랜스포머로부터의 동작에 대해 상술하면 이하와 같다.

먼저 정류 회로(12)로부터 진행파관(20)으로 정상적인 전압이 입력되는 경우 제 1서지 어레스터(150)와 제 2서지 어레스터(160)는 오픈 상태로 높은 절연 상태를 유지하기 때문에 입력 전압은 진행파관(20)으로만 입력된다.

이러한 상태에서 서지 전압이 순간적으로 입력되는 경우 제 1서지 어레스터(150) 및 제 2서지 어레스터(160)가 서지 전압으로 인해 동작되어 정상 전압에서 서지 전압량만큼을 가스를 통해 방전시켜 진행파관(20)에는 정상 전압을 입력시킨다.

한편 서지 전압의 크기가 낮으면 제너 다이오드(ZD1)가 동작하여 낮은 레벨의 서지 전압을 그라운드로 패스시킨다.

따라서 서지 전압이 입력되면 서지 어레스터가 동작하여 진행파관으로 서지 전압이 입력되는 것을 미연에 차단하여 진행파관을 서지 전압으로부터 효과적으로 보호할 수 있다.

전원공급 수단인 제1 트랜스포머(11)에 대한 보호 회로는 제1, 2 서지 어레스터(150, 160)의 작용으로 서지 전압의 유입으로부터 수용가 부하(400)에 장착되어 있는 각종 회로와 기기들을 보호할 수 있는 역할을 할 수 있다.

도 5는 본 발명에 따른 ESS에서의 낙뢰 서지 유입방지방법의 순서를 보여주는 절차도이다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 ESS에서의 낙뢰서지 유입 방지방법은 먼저 태양광, 풍력 또는 조력 구비 수단으로부터 전기에너지를 생산하는 과정이 진행될 수 있다(s10).

상기 발전장치(200)로부터 공급되는 전력은 PCS(330)를 통한 상용전력 형태 또는 배터리 전력 형태로 변환하는 작업을 수행할 수 있다(s20).

이와 같이 출력된 에너지는 전기 에너지 형태라고 할 수 있는 데 광신호로 변환하는 과정(s30)이 낙뢰 서지전압의 확산을 방지하기 위해서 필요하다고 할 수 있다. 이 과정을 통해서 에너지 저장시스템(300)으로 공급된 전기에너지는 서지 전압이 전달될 수 없는 광에너지로 형태를 변화하게 된다.

이를 위해서 제1통신장치(700)에서는 광컨버터가 작동하여 전기 신호를 광신호로 변환하여 통신용 케이블(110)과 전원용 케이블(120)로 공급할 수 있다.

통신용 케이블(110)과 전원용 케이블(120)에서는 전반사를 통한 광신호의 전달이 발생할 수 있다(S40). 이에 대한 상세는 전술한 바와 같다.

이와 같이 빛 에너지를 전기에너지로 변경하고 다시 광신호로 변환하는 과정을 반복하는 것은 효율 측면에서 바람직하지 않을 수 있지만 낙뢰 서지 유입을 방지하기 위하여 구리 선 등을 외부에 노출하는 것은 외부의 라이트링(lightning)에 대하여 대응수단이 될 수 없다는 측면에서는 효율적일 수 있다.

이와 같이 광신호로 변환된 에너지는 제2 통신장치(600)에 장착되어 있는 다시 제1, 2 광전소자(210, 220)을 통해서 전기에너지 형태로 변환될 수 있다(s50).

특히 전원용 광케이블(120)을 통해서 공급된 광신호는 수용가 부하(400)를 동작시킬 수 있는 에너지 소스가 될 수 있다.

또한 상기 통신? 광케이블(110)을 통해서도 낙뢰 서지의 유입이 발생할 수 있기 때문에 광신호로 변환하여 광신호 전송의 형태를 갖추어야 낙뢰 서지로부터 수용가 부하(400)에 장착되어 있는 기구와 장치의 보호가 될 수 있음은 전술한 바와 같다.

더 상술하지는 않았지만 제1 트랜스포머(11)와 제2 트랜스포머를 사용하는 경우에도 동일한 원리가 적용될 수 있다.

즉 PCS(330)로부터 공급되는 교류 신호를 광신호로 변경하지 않고 단지 TVS(Transient Voltage Suppressor) 회로를 사용하는 방법으로 단지 서지 전압만을 차단하고 전류 에너지를 수용가 부하(400)에 안전하게 전달할 수 있어서 서지 전압의 유입으로 인한 위험으로부터 수용가 부하(400)에 대한 보호가 가능할 수 있다.

이때에는 광전소자인 포토 커블러를 사용하지 않고도 서지 위험으로부터 수용가 부하를 보호할 수 있는 특징을 가질 수 있다.

본 발명은 특정한 실시 예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

200: 발전장치
300: 에너지 저장장치(ESS)
310: EMS(Energy Management System)
320: 배터리 관리시스템(Battery Management System)
330: 전력 조절장치(Power Conversion System)
340: 배터리 600: 제1 통신장치
700: 제2 통신장치 400: 수용가 부하

Claims (5)

1. 낙뢰 유입 보호 기능이 있는 ESS에 있어서,
   태양광 모듈을 이용한 태양광이나 풍력 또는 조수간만을 이용한 조력에 의한 발전이 가능한 발전장치;
   상기 발전장치에서 발생된 전기를 저장하는 배터리;
   상기 배터리의 상태 감지 및 배터리 제어운영을 관리하여 배터리의 충전과 방전 상태를 관리하는 배터리관리시스템(Battery Management System; BMS);
   상기 발전장치로부터 공급되는 전기를 상용전력 또는 배터리 충전 전력으로 변환하여 출력하는 전력 조절장치(Power Conditioning System; PCS);
   상기 PCS 와 연결되어 있는 제1 통신장치를 포함하고, 상기 제1통신장치와 연결되어 있는 제2통신장치를 포함하되,
   상기 전력 조절장치로부터 나오는 AC를 공급받아 상기 제1 통신장치로 전달하고, 상기 제1 통신장치와 제2 통신장치는 복수개의 제1, 2 케이블을 통해서 연결되며, 상기 제1, 2 케이블은 전달되는 매체에 따라 상기 제1 케이블은 광케이블이 되거나, 상기 제2 케이블은 구리 도선 또는 광케이블이 될 수 있으며,
   상기 제1통신 장치는 광컨버터를 포함하고,
   상기 광컨버터에서 출력되는 광을 통신용 광케이블과 전원용 광케이블을 통해서 전기적으로 독립적으로 제어하되, 상기 통신용 광케이블은 상기 제1케이블로 구성되고, 상기 전원용 광케이블은 상기 제2케이블로 구성되며,
   상기 전원용 광케이블을 통해서 들어오는 광으로부터 광전소자인 포터커블러(photo coupler)를 통해서 전기를 발생시키고,
   상기 통신용 광케이블의 일측에 연결되고, 상기 제2 통신장치 내에 장착되어 광신호를 전기에너지로 변환하는 제1광전 소자와, 상기 전원용 광케이블의 일측에 연결되고, 상기 제2 통신장치 내에 장착되어 광신호를 전기에너지로 변환하는 제2 광전 소자를 더 포함하고, 상기 제2 광전 소자를 통해서 변환된 전기를 사용해서 수용가부하를 구동시키되, 상기 제2 통신장치내에 장착된 제2 광전 소자에 의해 상기 수용가 부하가 낙뢰로부터 보호되도록 구성되며,
   상기 통신용 광케이블과 전원용 광케이블은 코어에는 입사되는 빛에 대하여 전반사 효과를 유도할 수 있는 유리섬유를 포함하고,
   상기 유리섬유의 외주면에는 유리섬유강화플라스틱으로 코팅되며,
   제1 통신장치에는 제1 트랜스포머가 장착되고,
   상기 제1 트랜스포머로부터 공급되는 전압 중 유입되는 서지 전압에 대하여 차단할 수 있는 TVS(Transient Voltage Suppressor) 회로(보호 회로)를 더 포함하여 상기 제1 트랜스포머와 전기적으로 연결되어 있고,
   상기 제2 통신장치에 장착되어 있는 제2 트랜스포머로 공급되는 서지 전압을 차단하여,
   에너지 저장시스템으로부터 발생하는 서지 전압이 보호 회로에 의하여 차단되고, 수용가 부하에 장착되어 있는 각종 장치와 시스템을 보호하고,
   상기 TVS 회로는 상기 제1 트랜스포머(11) 후단에 장착되되,
   상기 TVS 회로는 상기 제1 트랜스포머(11)로부터 출력되는 고전압을 정류시키는 정류 회로(12)와,
   상기 정류회로(12)로부터 서지 전압이 입력되면 도통되어 서지 전압을 그라운드로 패스시키는 제너다이오드(ZD1)와, 상기 서지 전압이 입력되면 이를 방전시키도록 상기 정류회로(12)와 진행파관(20)의 힐릭스 사이에 병렬연결되는 제1 서지어레스터(150)와, 상기 서지 전압이 입력되면 이를 방전시키도록 정류 회로(12)와 진행파관(20)의 캐소드 사이에 병렬 연결되는 제2 서지어레스터(160)와, 상기 정류회로(12)로부터 서지 전압이 입력되면, 기준 전압을 기준으로 하여 그보다 높은 서지 전압만큼을 상기 제2 서지 어레스터(160)로 패스시키는 커패시터(C10)를 포함하여 구성되는 보호 회로(100)를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는,
   낙뢰 유입 보호 기능이 적용된 ESS.
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